《钢结构基本原理》 课程设计指导书
《钢结构基本原理 《钢结构基本原理》 课程设计指导书
《钢结构》讲义 钢屋盖设计 钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。 钢屋盖结构设计的内容： 屋盖结构布置：屋架形式的选择：支撑布置：屋盖荷载计算：屋架各杆内力计算：屋 架杆件截面选择：檩条、拉条和撑杆的计算：节点设计以及绘制施工图。 一、材料选择 由结构重要性，荷载特征（静荷或动荷），连接方法（焊接或螺栓连接）选用钢材及 焊条。 二、屋盖结构布置 钢屋盖结构可分为两类：一类为有檩体系屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺 设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻型屋面材料，屋面荷载由檩条传 给屋架：另一类称无檩体系屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板、太空板 等，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。 三、屋架形式及几何尺寸 屋架是由各种直杆相互连接组成的一种平面桁架：在横向节点荷载作用下，各杆件产 生轴心压力或轴心拉力，因而杆件截面应力分布均匀，材料利用充分，具有用钢屋小、自 重轻：刚度大、便于加工成形和应用广泛的特点。 屋架按外形可分为三角形、梯形、拱形及平行弦四种形式。 屋架的造型应符合以下原则：第一，满足使用要求，主要是排水坡度、建筑净空、天 窗、天棚以及悬挂吊车的需要。第二，受力合理。应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受 力均匀：短杆受压、长杆受拉：荷载布置在节点上，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足 够高度，以满足刚度要求。第三，便于施工。屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造 简单、尺寸划一、夹角在30~60度之间。跨度和高度避免超宽、超高。设计时应全面分析、 具体处理，从而确定具体的合理形式。 1.梯形屋架 1)适用于屋面坡度平缓的无懔屋盖结构。屋架形式有普通式（人字式、单斜式）、再 分式。根据跨度、坡度、荷载和有无吊车的条件，再分式的形式有所不同。坡度i<1/3,且 跨度较大时多采用梯形屋架。梯形屋架外形与弯矩图接近，弦杆受力均匀：腹杆多采用人 字式：当端斜杆与弦杆组成的支承点在下弦时称为下承式，多用于刚接支承节点，反之为 上承式。梯形屋架上弦节间长度应与屋面板的尺寸配合，使荷载作用于节点上，当上弦节 间太长时，应采用再分式。 2)屋架计算跨度为屋架两端支座反力的距离，应考虑屋架支座处的构造尺寸，根据房 屋定位轴线及支座构造的不同，屋架的计算跨度的取值尚有下述情况：当支座为一般钢筋 混凝土柱且柱网为封闭结合时，计算跨度为L,(300~400)m:当柱网采用非封闭结 合时，计算跨度为=L,标志跨度L为柱网横向轴线间的距离。 屋架中部高度H=(1/10~1/6)L,跨度大时取小值，跨度小时取大值
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 2 钢屋盖设计 钢屋盖结构由屋面、屋架和支撑三部分组成。 钢屋盖结构设计的内容： 屋盖结构布置；屋架形式的选择；支撑布置；屋盖荷载计算；屋架各杆内力计算；屋 架杆件截面选择；檩条、拉条和撑杆的计算；节点设计以及绘制施工图。 一、材料选择 由结构重要性，荷载特征（静荷或动荷），连接方法（焊接或螺栓连接）选用钢材及 焊条。 二、屋盖结构布置 钢屋盖结构可分为两类：一类为有檩体系屋盖，是指在屋架上放置檩条，檩条上再铺 设石棉瓦、瓦楞铁皮、钢丝网水泥槽形板、压型钢板等轻型屋面材料，屋面荷载由檩条传 给屋架；另一类称无檩体系屋盖，是指在屋架上直接放置钢筋混凝土大型屋面板、太空板 等，屋面荷载由大型屋面板直接传给屋架。 三、屋架形式及几何尺寸 屋架是由各种直杆相互连接组成的一种平面桁架：在横向节点荷载作用下，各杆件产 生轴心压力或轴心拉力，因而杆件截面应力分布均匀，材料利用充分，具有用钢屋小、自 重轻；刚度大、便于加工成形和应用广泛的特点。 屋架按外形可分为三角形、梯形、拱形及平行弦四种形式。 屋架的造型应符合以下原则：第一，满足使用要求，主要是排水坡度、建筑净空、天 窗、天棚以及悬挂吊车的需要。第二，受力合理。应使屋架的外形与弯矩图相近，杆件受 力均匀；短杆受压、长杆受拉；荷载布置在节点上，以减少弦杆局部弯矩，屋架中部有足 够高度，以满足刚度要求。第三，便于施工。屋架的杆件和节点宜减少数量和品种、构造 简单、尺寸划一、夹角在 30～60 度之间。跨度和高度避免超宽、超高。设计时应全面分析、 具体处理，从而确定具体的合理形式。 1.梯形屋架 1）适用于屋面坡度平缓的无檩屋盖结构。屋架形式有普通式（人字式、单斜式）、再 分式。根据跨度、坡度、荷载和有无吊车的条件，再分式的形式有所不同。坡度 i<1/3，且 跨度较大时多采用梯形屋架。梯形屋架外形与弯矩图接近，弦杆受力均匀；腹杆多采用人 字式；当端斜杆与弦杆组成的支承点在下弦时称为下承式，多用于刚接支承节点，反之为 上承式。梯形屋架上弦节间长度应与屋面板的尺寸配合，使荷载作用于节点上，当上弦节 间太长时，应采用再分式。 2）屋架计算跨度为屋架两端支座反力的距离，应考虑屋架支座处的构造尺寸，根据房 屋定位轴线及支座构造的不同，屋架的计算跨度的取值尚有下述情况：当支座为一般钢筋 混凝土柱且柱网为封闭结合时，计算跨度为 L0= L-（300～400）mm；当柱网采用非封闭结 合时，计算跨度为 L0= L , 标志跨度 L 为柱网横向轴线间的距离。 屋架中部高度 H =（1/10～1/6）L，跨度大时取小值，跨度小时取大值
《钢结构》讲义 屋架端部高度儿，常将儿取为：与柱刚接时，端部高度一般为(1/16一1/12)L,常 取1.8~2.4m:与柱铰接时，与屋架中部高度及屋面坡度相关，常取1.6一2.2m范围内。 3)屋架上弦节间的划分，主要根据屋面材料的尺寸来定，尽可能使屋面荷载作用于屋 架节点。 2.三角形屋架 1)适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。屋架形式有人字式、单斜式、芬克式。因芬 克式受力合理比较常用。 2)屋架计算跨度L。的计算同梯形屋架。 屋架中部高度与屋面坡度有关H=(1/4~1/6)L 3)三角形屋架适用于有檩屋盖结构，上弦节间的划分，主要根据屋面檩条的间距来定， 般上弦节间长度为0.8一3.0m 3.设计屋架尺寸时，首先根据屋架形式和工程经验确定端部尺寸；然后，根 据屋面材料和屋面坡度确定屋架跨中高度：最后综合考虑各种因素，确定屋架 的高度。当屋架的外形和主要尺寸（跨度、高度）确定后，屋架各个杆件的几何 尺寸即可根据三角函数或投影关系求得。 4.对跨度15m的三角形桁架和跨度超过24如的梯形、平行弦桁架，当下弦无向 上曲折时，宜采用起拱，抵消桁架受荷后产生的部分挠度。起拱高度一般为其 跨度的1/500左右。当采用图解法求桁架杆件内力时，图解时可不考虑起拱高 度：可取50m(计算杆件的几何尺寸时不考虑起拱)。 四、支撑布置 钢屋盖和柱组成的结构体系是一平面排架结构，纵向刚度很差，在荷载作用下，存在 者所有屋架同向倾覆的危险。此外，在这样的体系中，由于模条和屋面板均不能作为上弦 杆的侧向支承点，故上弦杆在受压时，极易发生侧向失稳现象，其承载力极低。 为使屋架形成稳定的空间结构体系，则需在相邻两屋架之间设置上弦横向支撑、下 横向支撑和垂直支撑，其余屋架则由檩条、大型屋面板和系杆在纵向相连接，从而构成稳 定的几何不变体系。屋盖支撑的主要作用是：承受屋盖在安装和使用过程中可出现的纵向 水平力，如山墙的水平风力、悬挂吊车的纵向水平制动力、安装时可能产生的垂直于屋架 平面的水平力，以及纵向地震作用等：作为屋架弦杆的侧向支承点，减少上弦杆在屋架平 面外的计算长度，以提高上弦杆的稳定性：防止受拉下弦杆因某些动力设备运转时产生过 大的水平振幅：保证屋架安装质量和安全施工：保证屋盖结构的空间整体性能是屋盖支撑 最为重要的性能。 根据车间长度，屋架跨度，荷载情况，以及吊车设置情况，合理布置支撑体系。主要 考虑：
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 3 屋架端部高度 H。，常将 H。取为：与柱刚接时,端部高度一般为（1/16～1/12）L ,常 取 1.8～2.4m；与柱铰接时，与屋架中部高度及屋面坡度相关，常取 1.6～2.2m 范围内。 3）屋架上弦节间的划分，主要根据屋面材料的尺寸来定，尽可能使屋面荷载作用于屋 架节点。 2．三角形屋架 1）适用于屋面坡度较陡的有檩屋盖结构。屋架形式有人字式、单斜式、芬克式。因芬 克式受力合理比较常用。 2）屋架计算跨度 L。的计算同梯形屋架。 屋架中部高度与屋面坡度有关 H =（1/4～1/6）L 3）三角形屋架适用于有檩屋盖结构，上弦节间的划分，主要根据屋面檩条的间距来定， 一般上弦节间长度为 0.8～3.0m。 3.设计屋架尺寸时 3.设计屋架尺寸时，首先根据屋架形式和工程经验确定端部尺寸 ，首先根据屋架形式和工程经验确定端部尺寸；然后，根 据屋面材料和屋面坡度确定屋架跨中高度；最后综合考虑各种因素 ；最后综合考虑各种因素，确定屋架 的高度。当屋架的外形和主要尺寸 。当屋架的外形和主要尺寸(跨度、高度)确定后，屋架各个杆件 ，屋架各个杆件的几何 尺寸即可根据三角函数或投影关系求得。 4.对跨度 15m 的三角 15m 的三角形桁架和跨度超过 24m 的梯形 24m 的梯形、平行弦桁架，当下弦无向 上曲折时，宜采用起拱，抵消桁架受荷后产生的部分挠度 ，抵消桁架受荷后产生的部分挠度。起拱高度一般为其 。起拱高度一般为其 跨度的 1/500 左右 1/500 左右。当采用图解法求桁架杆件内力时 。当采用图解法求桁架杆件内力时，图解时可不考虑起拱高 ，图解时可不考虑起拱高 度;可取 50mm（计算杆件的几何尺寸 计算杆件的几何尺寸时不考虑起拱）。 四、支撑布置 钢屋盖和柱组成的结构体系是一平面排架结构，纵向刚度很差，在荷载作用下，存在 着所有屋架同向倾覆的危险。此外，在这样的体系中，由于檩条和屋面板均不能作为上弦 杆的侧向支承点，故上弦杆在受压时，极易发生侧向失稳现象，其承载力极低。 为使屋架形成稳定的空间结构体系，则需在相邻两屋架之间设置上弦横向支撑、下弦 横向支撑和垂直支撑，其余屋架则由檩条、大型屋面板和系杆在纵向相连接，从而构成稳 定的几何不变体系。屋盖支撑的主要作用是：承受屋盖在安装和使用过程中可出现的纵向 水平力，如山墙的水平风力、悬挂吊车的纵向水平制动力、安装时可能产生的垂直于屋架 平面的水平力，以及纵向地震作用等；作为屋架弦杆的侧向支承点，减少上弦杆在屋架平 面外的计算长度，以提高上弦杆的稳定性；防止受拉下弦杆因某些动力设备运转时产生过 大的水平振幅；保证屋架安装质量和安全施工；保证屋盖结构的空间整体性能是屋盖支撑 最为重要的性能。 根据车间长度，屋架跨度，荷载情况，以及吊车设置情况，合理布置支撑体系。主要 考虑：
。钢结构》讲义 1.上弦横向水平支撑： 上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱 间，其最大间距为60m,否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间 但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。 2.下弦横向水平支撑 当屋架间距24m时，可仅在屋架跨中 设置一道垂直支撑。当梯形屋架I>30加、三角形屋架>24如时，宜在跨中1/3处，或天窗架 侧柱处设置两道垂直支撑：对梯形屋架两侧边应各增设一道垂直支撑：天窗架垂直支撑设 于两侧，当宽度≥12m,还应在中央增设一道垂直支撑。 5.系杆（刚性或柔性）： 系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定， 第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。对未设置横向支撑的屋架，均 应在有垂直支撑的位置，沿房屋纵向通长设置系杆，以保证不设横向支撑的屋架的侧向稳 定。系杆有两种：承受压力的截面较大的系杆称刚性系杆，多由双角钢组成：只承受拉力 的截面较小的系杆称为柔性系杆，多由单角钢组成。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上 弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆」 上弦系杆：对有檩体系，檩条可兼作柔性系杆：对无檩体系，大型屋面板可兼作系杆， 仅需在屋脊及屋架两端设置刚性系杆，当无天窗时，应在设置垂直支撑的位置设置通长的 柔性系杆。 下弦系杆：在设置垂直支撑的平面内，均应设置通长的柔性系杆：在梯形屋架及三角
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 4 1．上弦横向水平支撑： 上弦横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端的第一柱间或第二柱 间，其最大间距为 60m，否则在中间应增设一道或几道支撑。有时可将其布置在第二个柱间， 但在第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。 2．下弦横向水平支撑： 当屋架间距30m、三角形屋架l >24m 时，宜在跨中 1／3 处，或天窗架 侧柱处设置两道垂直支撑；对梯形屋架两侧边应各增设一道垂直支撑；天窗架垂直支撑设 于两侧，当宽度≥12m，还应在中央增设一道垂直支撑。 5．系杆（刚性或柔性）： 系杆能保证无横向水平支撑的所有屋架在上弦杆平面外的稳定和安装时屋架的稳定， 第一柱间的刚性系杆能将山墙的风荷载传到横向水平支撑。对未设置横向支撑的屋架，均 应在有垂直支撑的位置，沿房屋纵向通长设置系杆，以保证不设横向支撑的屋架的侧向稳 定。系杆有两种：承受压力的截面较大的系杆称刚性系杆，多由双角钢组成；只承受拉力 的截面较小的系杆称为柔性系杆，多由单角钢组成。屋架主要支承节点处的系杆，屋架上 弦脊节点处的系杆均宜用刚性系杆。 上弦系杆；对有檩体系，檩条可兼作柔性系杆；对无檩体系，大型屋面板可兼作系杆， 仅需在屋脊及屋架两端设置刚性系杆，当无天窗时，应在设置垂直支撑的位置设置通长的 柔性系杆。 下弦系杆：在设置垂直支撑的平面内，均应设置通长的柔性系杆；在梯形屋架及三角
《钢结构》讲义 形屋架的支座处应设置通长的刚性系杆，若为混合结构，与屋架或柱顶拉结的圈梁可代替 该系杆：芬克式屋架，当跨度≥18m时，宜在主斜杆与下弦连接的节点处设置水平柔性系 杆：有弯折下弦的屋架，宜在弯折点处设置通长系杆。 系杆应与横向支撑的节点相连。当横向水平支撑设在温度区段第二柱间时，第一柱间 的所有系杆，包括檩条均应为刚性系杆。 并在计算书上画出屋盖支撑布置图。 五、荷载和内力计算 作用于屋架上的荷载可有： 水久荷载：屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等结构自重。 可变荷载：屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载以及悬挂吊车和重物等。 1.荷载计算 1)屋面永久荷载按屋面实际做法对应值计算。 屋架和支撑自重可按经验公式估算 8=(0.12+0.0111)kN/m水平投影面积 屋架自重的一半作用在上弦平面，另一半作用在下弦平面。当屋架下弦无其它荷载 时，为简化可假定全部作用在上弦平面。 2)屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑，取其中较大者进行计算。 3)屋面积灰荷载属于可变荷载。 4)当屋面坡度α≤30°时，除瓦楞铁等轻型屋面外，一般可不考虑风荷载。 2.荷载组合 设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合 1)全跨永久荷载+全跨可变荷载 2)全跨永久荷载+半跨可变荷载 3)全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 我们只要求考虑第一种荷载组合 3.内力计算 1)将屋面均布荷载转化为屋架节点荷载或节间荷载， % 大 0=Y9;S-a
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 5 形屋架的支座处应设置通长的刚性系杆，若为混合结构，与屋架或柱顶拉结的圈梁可代替 该系杆；芬克式屋架，当跨度≥18m 时，宜在主斜杆与下弦连接的节点处设置水平柔性系 杆；有弯折下弦的屋架，宜在弯折点处设置通长系杆。 系杆应与横向支撑的节点相连。当横向水平支撑设在温度区段第二柱间时，第一柱间 的所有系杆，包括檩条均应为刚性系杆。 并在计算书上画出屋盖支撑布置图。 五、荷载和内力计算 作用于屋架上的荷载可有： 永久荷载：屋面材料、檩条、屋架、天窗架、支撑以及天棚等结构自重。 可变荷载：屋面均布使用活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载以及悬挂吊车和重物等。 1．荷载计算 1）屋面永久荷载按屋面实际做法对应值计算。 屋架和支撑自重可按经验公式估算 屋架自重的一半作用在上弦平面，另一半作用在下弦平面。当屋架下弦无其它荷载 时，为简化可假定全部作用在上弦平面。 2）屋面活荷载与屋面雪荷载不同时考虑，取其中较大者进行计算。 3）屋面积灰荷载属于可变荷载。 4）当屋面坡度α ≤ 30o时，除瓦楞铁等轻型屋面外，一般可不考虑风荷载。 2．荷载组合 设计屋架时，应考虑以下三种荷载组合： 1）全跨永久荷载+全跨可变荷载 2）全跨永久荷载+半跨可变荷载 3）全跨屋架与支撑自重+半跨屋面板自重+半跨屋面活荷载 我们只要求考虑第一种荷载组合。 3. 内力计算 3. 内力计算 1）将屋面均布荷载转化为屋架节点荷载或节间荷载, S a i q i Q=γ ⋅ ⋅ ⋅
《钢结构》讲义 2)节点荷载作用下的杆件内力计算 节点荷载作用下，铰接桁架杆件的内力计算可采用图解法或数解法<节点法或截 面法)、有限元位移计算法等。所有杆件均受轴心力作用。常用桁架的杆件内力系数 可查阅静力计算手册。 3)有节间荷载作用时杆件内力计算 当有集中荷载或均布荷载作用于上弦节间时，将使上弦杆节点和跨中节间产生 局部弯矩。由于上弦节点板对杆件的约束作用，可减少节间弯矩，屋架上弦杆应视 为弹性支座上的连续梁，为简化计算，可采用下列近似法： 对无天窗架的屋架，端节间的跨中正弯矩和节点负弯矩均取0.8以：其他节间 正弯矩和节点负弯矩均取为0.6MM为跨度等于节间长度的相应节间的简支梁最 大弯矩值。 对有天窗架的屋架，所有节间的节点和节间弯距均取为0.8M。 可列表计算。 六、杆件截面设计 屋架跨度不大于33时，上弦、下弦可不改变截面，按最大内力设计。 1.屋架杆件常采用双角钢组合组成的T形截面或十字形截面，要根据入，=入，的等稳条件选 择合理的截面形式。 2.正确确定杆件的长细比，确定杆件截面、验算截面及填板数量。 1)对轴心拉杆：可按强度要求选择截面，还应满足长细比限值的要求。 用公式WA≤f计算出所需的净截面面积。 按所需的净截面面积在型钢表中找到合适的截面（一般为两个角钢组成的截面）。 截面选定后，用选定的截面，验算强度和长细比。 杆件容许长细比，受压构件[λ]≤150，受拉构件[λ]≤350。 2)对轴心压杆：可先假定长细比（弦杆入=80~100，腹杆100~120）选择截面，根据 小、i、1,选定型钢（角钢）规格，再进行验算（包括强度、刚度、整稳、局稳四项验算）。 对于三角形屋架，如果上弦有节间荷载，则应按压弯或拉弯构件进行截面选择和验 算（包括强度、刚度、整稳、局稳四项验算）。采用先假定截面，然后进行平面内、外的稳 定性验算及长细比计算，必要时进行强度计算，不行再调整直到符合要求为止。 3.上弦杆，下弦杆，主斜腹杆截面选择过程要在计算书内详细说明，其余杆件截面选择可 列表进行。 4.截面规格不宜过多，一般不超过5~6种，角钢尺寸不宜小于L45×4或L56×36×4。 5.节点板厚度需按腹杆的最大内力选用
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 6 2）节点荷载作用下的杆件内力计算 节点荷载作用下，铰接桁架杆件的内力计算可采用图解法或数解法<节点法或截 面法)、有限元位移计算法等。所有杆件均受轴心力作用。常用桁架的杆件内力系数 可查阅静力计算手册。 3）有节间荷载作用时杆件内力计算 当有集中荷载或均布荷载作用于上弦节间时，将使上弦杆节点和跨中节间产生 局部弯矩。由于上弦节点板对杆件的约束作用，可减少节间弯矩，屋架上弦杆应视 为弹性支座上的连续梁，为简化计算，可采用下列近似法： 对无天窗架的屋架，端节间的跨中正弯矩和节点负弯矩均取 0.8M0；其他节间 正弯矩和节点负弯矩均取为 0.6 M0；M0为跨度等于节间长度的相应节间的简支梁最 大弯矩值。 对有天窗架的屋架，所有节间的节点和节间弯距均取为 0.8 M0。 可列表计算。 六、杆件截面设计 屋架跨度不大于 33m 时，上弦、下弦可不改变截面，按最大内力设计。 1．屋架杆件常采用双角钢组合组成的 T 形截面或十字形截面，要根据λx=λy的等稳条件选 择合理的截面形式。 2．正确确定杆件的长细比，确定杆件截面、验算截面及填板数量。 1）对轴心拉杆：可按强度要求选择截面，还应满足长细比限值的要求。 用公式 N/An≤f 计算出所需的净截面面积。 按所需的净截面面积在型钢表中找到合适的截面（一般为两个角钢组成的截面）。 截面选定后，用选定的截面，验算强度和长细比。 杆件容许长细比，受压构件[λ]≤150，受拉构件[λ]≤350。 2）对轴心压杆：可先假定长细比（弦杆λ=80～100，腹杆 100～120）选择截面，根据 A、ix、iy，选定型钢（角钢）规格，再进行验算（包括强度、刚度、整稳、局稳四项验算）。 对于三角形屋架，如果上弦有节间荷载，则应按压弯或拉弯构件进行截面选择和验 算（包括强度、刚度、整稳、局稳四项验算）。采用先假定截面，然后进行平面内、外的稳 定性验算及长细比计算，必要时进行强度计算，不行再调整直到符合要求为止。 3．上弦杆，下弦杆，主斜腹杆截面选择过程要在计算书内详细说明，其余杆件截面选择可 列表进行。 4.截面规格不宜过多，一般不超过 5～6 种，角钢尺寸不宜小于 L45×4 或 L56×36×4。 5.节点板厚度需按腹杆的最大内力选用
。钢结构》讲义 七、节点设计 节点的设计一般步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的焊脚尺寸和 焊缝长度，然后根据此焊缝长度的大小按比例绘出节点板的形状和大小，最后验算弦杆与 节点板的连接焊缝。 屋架的各杆件汇交于若干交点并由节点板焊接为节点，各杆件的内力、连续杆件两侧 的内力差以及节点荷载通过焊缝传递给节点板并得以调节平衡， 1.节点设计的要求 (1)杆件的重心线，原则上应与桁架计算简图中的几何轴线重合，以避免杆件偏心受力， 但为制作方便，实际焊接桁架中通常把角钢背外表面到重心线的距离取为5mm的倍数：当 弦杆截面改变时，应使角钢的肢背齐平，以便于拼接和放置屋面构件：当节点板两侧角钢 因截面变化引起形心轴线错开时，应取两轴线的中线作为弦杆的共同轴线，以减少偏心影 响。如图所示。 拼角期 图弦杆截面改变时的轴线位置 (2)在节点板处弦杆与腹杆，或腹杆与腹杆之间应留有≥20mm的空隙，动载时≥50mm 以利于拼接和施焊，且避免因焊缝过于密集而导致节点板钢材变脆。如图示。 (③)角钢端部的切割一般应与轴线垂直，为了减小节点板尺寸，可将其一肢斜切；但不 得采用将一肢完全切割的斜切。如图示。 (4)节点板的形状应力求简单规整，尽屋减小切割边数，宜用矩形、有两个直角的梯形 或平行四边形。节点板不许有凹角，以防产生严重的应力集中。节点板边缘与杆件轴线间 的夹角α不宜小于15°，且节点板的外形应尽量使连接焊缝中心受力。节点板应伸出上弦 杆角钢肢背1015m,以利施焊：也可将节点板缩进弦杆角钢肢背510mm,称为塞焊缝连 接
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 7 七、节点设计 节点的设计一般步骤是：先根据腹杆的内力计算腹杆与节点板连接焊缝的焊脚尺寸和 焊缝长度，然后根据此焊缝长度的大小按比例绘出节点板的形状和大小，最后验算弦杆与 节点板的连接焊缝。 屋架的各杆件汇交于若干交点并由节点板焊接为节点，各杆件的内力、连续杆件两侧 的内力差以及节点荷载通过焊缝传递给节点板并得以调节平衡。 1．节点设计的要求 (1)杆件的重心线，原则上应与桁架计算简图中的几何轴线重合，以避免杆件偏心受力， 但为制作方便，实际焊接桁架中通常把角钢背外表面到重心线的距离取为 5mm 的倍数；当 弦杆截面改变时，应使角钢的肢背齐平，以便于拼接和放置屋面构件；当节点板两侧角钢 因截面变化引起形心轴线错开时，应取两轴线的中线作为弦杆的共同轴线，以减少偏心影 响。如图所示。 图 弦杆截面改变时的轴线位置 (2)在节点板处弦杆与腹杆，或腹杆与腹杆之间应留有≥20mm 的空隙，动载时≥50mm 以利于拼接和施焊，且避免因焊缝过于密集而导致节点板钢材变脆。如图示。 (3)角钢端部的切割一般应与轴线垂直，为了减小节点板尺寸，可将其一肢斜切；但不 得采用将一肢完全切割的斜切。如图示。 (4)节点板的形状应力求简单规整，尽屋减小切割边数，宜用矩形、有两个直角的梯形 或平行四边形。节点板不许有凹角，以防产生严重的应力集中。节点板边缘与杆件轴线间 的夹角α 不宜小于 15°，且节点板的外形应尽量使连接焊缝中心受力。节点板应伸出上弦 杆角钢肢背 10~15mm，以利施焊；也可将节点板缩进弦杆角钢肢背 5~10mm，称为塞焊缝连 接
《钢结构》讲义 2.节点的构造和计算节点设计首先应按各杆件的截面形式确定节点的构造形式，根据 板内力确定连接焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度，然后按所需的焊缝长度和杆件之间的空隙， 适当考虑制造装配误差，确定节点板的合理形状和尺寸，最后验算弦杆和节点板的连接焊 缝。桁架杆件与节点板间的连接，通常采用角焊缝连接形式，对角钢杆件一般采用角钢背 和角钢尖部位的侧焊缝连接；必要时也可采用三面围焊缝或L形围焊缝连接。节点板的尺 寸应能保证所需角焊缝的布置要求。 用作图法求节点板的形状和大小时，应按角度准确画出各杆件的轴线和轮廓线，各杆 件的形心线应尽量与杆件轴线重合并取5m的整数，再考虑杆件之间应有的间隙以及制作、 装配等误差，按比例绘出各杆件端部及腹杆焊缝的位置，在此基础上作出节点详图。 节点板的形状应尽可能简单、规则，至少有两边平行。如矩形、梯形、直角梯形等。 绘制节点大样，确定节点上需标明的尺寸，为绘制施工详图时提供必要的数据。 八、屋架施工图 1.屋架施工图一般按运输单元绘制。当屋架对称时，可仅绘制半棉屋架。屋架详图部分， 应绘制屋架正面图，上弦和下弦杆的平面图，必要数量的侧面图和剖面图，以及零件的大 样图。 2.图纸的左上角用适当比例绘制屋架简图（单线图），左半跨注明屋架杆件的儿何轴线尺 寸，右半跨注明杆件的内力设计值。梯形屋架跨度大于或等于24如时，制作时应起拱约为 跨度的1/500，注明屋架跨中央的起拱高度（屋架图上不必表示）。图纸正中为屋架正面和 上、下弦平面图。右上角是材料表，把所有杆件和零部件的编号、规格、长度、数量（正、 反)及重量等均填于表中，以备配料和计算用钢量，并可供配备起重和运输设备时参考。 3.屋架施工图通常采用两种比例尺绘制。屋架杆件的轴线一般用1：20~1：30，而节点尺 寸和杆件截面尺寸用1：10一1：15的比例尺绘制。对重要节点和特殊零部件还可加大些， 以清楚地表达节点的细部尺寸。 4.施工图上应注明各零部件的型号和主要儿何尺寸，包括加工尺寸（宜取5m的倍数）、 定位尺寸、孔洞位置以及对工厂制造和工地安装的要求。定位尺寸主要有：节点中心至各 杆件杆端和至节点板边缘（上、下和左、右）的距离、轴线至角钢肢背的距离等。螺栓孔 位置要符合螺栓排列的要求。工厂制造和工地安装要求主要包括：零部件切角、切肢、削 棱、孔洞直径和焊缝尺寸等均应在施工图中注明。工地安装焊缝和安装螺栓应标注其符号。 5.施工图中应列出材料表，各零部件应加以详细编号，其次序按主次、上下和左右排列。 完全相同的零部件用同一编号，如两个零部件形状和尺寸完全一样，仅因开孔位置或切角 等不同，使两构件成镜面对称时，可采用同一编号而只须在材料表中用正、反字样注明， 以示区别。 6.施工图上还应有设计说明。其内容主要有：钢材的钢号、焊条型号和焊接方法、质量要 求：图中未注明的焊缝和螺栓孔尺寸，防锈处理方法，以及运输、安装和制造要求等。此 外，对一些在施工图上难以用图而宜用文字表达清楚的内容亦可用文字加以说明。 8
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 8 2．节点的构造和计算 节点设计首先应按各杆件的截面形式确定节点的构造形式，根据腹 板内力确定连接焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度，然后按所需的焊缝长度和杆件之间的空隙， 适当考虑制造装配误差，确定节点板的合理形状和尺寸，最后验算弦杆和节点板的连接焊 缝。桁架杆件与节点板间的连接，通常采用角焊缝连接形式，对角钢杆件一般采用角钢背 和角钢尖部位的侧焊缝连接；必要时也可采用三面围焊缝或 L 形围焊缝连接。节点板的尺 寸应能保证所需角焊缝的布置要求。 用作图法求节点板的形状和大小时，应按角度准确画出各杆件的轴线和轮廓线，各杆 件的形心线应尽量与杆件轴线重合并取 5mm 的整数，再考虑杆件之间应有的间隙以及制作、 装配等误差，按比例绘出各杆件端部及腹杆焊缝的位置，在此基础上作出节点详图。 节点板的形状应尽可能简单、规则，至少有两边平行。如矩形、梯形、直角梯形等。 绘制节点大样，确定节点上需标明的尺寸 ，确定节点上需标明的尺寸，为绘制施工详图时提供必要的数据 ，为绘制施工详图时提供必要的数据。 八、屋架施工图 1．屋架施工图一般按运输单元绘制。当屋架对称时，可仅绘制半榀屋架。屋架详图部分， 应绘制屋架正面图，上弦和下弦杆的平面图，必要数量的侧面图和剖面图，以及零件的大 样图。 2．图纸的左上角用适当比例绘制屋架简图（单线图），左半跨注明屋架杆件的几何轴线尺 寸，右半跨注明杆件的内力设计值。梯形屋架跨度大于或等于 24m 时，制作时应起拱约为 跨度的 1/500，注明屋架跨中央的起拱高度（屋架图上不必表示）。图纸正中为屋架正面和 上、下弦平面图。右上角是材料表，把所有杆件和零部件的编号、规格、长度、数量（正、 反）及重量等均填于表中，以备配料和计算用钢量，并可供配备起重和运输设备时参考。 3．屋架施工图通常采用两种比例尺绘制。屋架杆件的轴线一般用 1：20～1：30，而节点尺 寸和杆件截面尺寸用 1：10～1：15 的比例尺绘制。对重要节点和特殊零部件还可加大些， 以清楚地表达节点的细部尺寸。 4．施工图上应注明各零部件的型号和主要几何尺寸，包括加工尺寸（宜取 5mm 的倍数）、 定位尺寸、孔洞位置以及对工厂制造和工地安装的要求。定位尺寸主要有：节点中心至各 杆件杆端和至节点板边缘（上、下和左、右）的距离、轴线至角钢肢背的距离等。螺栓孔 位置要符合螺栓排列的要求。工厂制造和工地安装要求主要包括：零部件切角、切肢、削 棱、孔洞直径和焊缝尺寸等均应在施工图中注明。工地安装焊缝和安装螺栓应标注其符号。 5．施工图中应列出材料表，各零部件应加以详细编号，其次序按主次、上下和左右排列。 完全相同的零部件用同一编号，如两个零部件形状和尺寸完全一样，仅因开孔位置或切角 等不同，使两构件成镜面对称时，可采用同一编号而只须在材料表中用正、反字样注明， 以示区别。 6．施工图上还应有设计说明。其内容主要有：钢材的钢号、焊条型号和焊接方法、质量要 求；图中未注明的焊缝和螺栓孔尺寸，防锈处理方法，以及运输、安装和制造要求等。此 外，对一些在施工图上难以用图而宜用文字表达清楚的内容亦可用文字加以说明
《钢结构》讲义 钢平台设计 平台钢结构组成 平台钢结构主要由常用的梁、柱等钢构件以及铺板（楼板）等组成，一般用于工业生产， 如石油、化工设备支承平台，常见的走道平台、检修平台、操作平台等。立体车库和民用 建筑中的楼层也是平台结构。 平台布置应满足使用功能和生产工艺要求。由于平台钢结构水平荷载（主要为风荷载） 比较小，作用在乎台结构上的主要荷载是竖向荷载。平台竖向荷载一般通过铺板、次梁、 主梁、柱网传给基础。为了减少平台用钢量以及降低基础造价，通常将平台结构梁、柱连 接节点以及柱脚设计成铰接，这样平台柱也为轴心受压柱。为了便于安装施工，一般情况 下将平台结构构件设计成单体构件，如次梁、主梁、柱等，铺板可设计成局部整体构件。 为了保证平台结构的整体稳定，通过布置柱间支撑，并与柱、梁及铺板一起组成稳定的结 构体系。 梁格布置形式 梁格是由许多次梁和主粱纵横排列而成的平面体系，用于直接承受平台上的荷载。根 据梁的排列方式，梁格可分成下列三种典型的形式：1.简式梁格（图）只有主梁，适用于 梁跨度较小的情况： 2.普通式梁格（图b)有次梁和主梁，次粱支承于主梁上： 3.复式梁格（图）除主梁和纵向次粱外，还有支承于纵向次梁上的横向次梁。 主架锅次粱 次梁
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 9 钢平台设计 平台钢结构组成 平台钢结构主要由常用的梁、柱等钢构件以及铺板(楼板)等组成，一般用于工业生产， 如石油、化工设备支承平台，常见的走道平台、检修平台、操作平台等。立体车库和民用 建筑中的楼层也是平台结构。 平台布置应满足使用功能和生产工艺要求。由于平台钢结构水平荷载(主要为风荷载) 比较小，作用在乎台结构上的主要荷载是竖向荷载。平台竖向荷载一般通过铺板、次梁、 主梁、柱网传给基础。为了减少平台用钢量以及降低基础造价，通常将平台结构梁、柱连 接节点以及柱脚设计成铰接，这样平台柱也为轴心受压柱。为了便于安装施工，一般情况 下将平台结构构件设计成单体构件，如次梁、主梁、柱等，铺板可设计成局部整体构件。 为了保证平台结构的整体稳定，通过布置柱间支撑，并与柱、梁及铺板一起组成稳定的结 构体系。 梁格布置形式 梁格是由许多次梁和主粱纵横排列而成的平面体系，用于直接承受平台上的荷载。根 据梁的排列方式，梁格可分成下列三种典型的形式：1．简式梁格(图 a)只有主梁，适用于 梁跨度较小的情况； 2．普通式梁格(图 b)有次梁和主梁，次粱支承于主梁上； 3．复式梁格(图 c)除主梁和纵向次粱外，还有支承于纵向次梁上的横向次梁
《钢结构》讲义 普通操作平台一般采用双向平台梁格布置，次梁较支于主粱上。主梁间距为次梁跨度 次梁间距为铺板跨度。 当主粱与柱铰接时，必须布置纵向和横向柱间支撑，以承受水平荷载和保持整体稳定。 平台结构的梁格布置和选材，要经过技术经济比较，以满足安全适用、节约钢材、便于施 工的要求，并有较好的经济效益。 本次课程设计的内容及步骤为： 1.结构布置：2.平台次梁设计：3.平台主梁设计：4.柱及柱脚设计：5.节点设计 一、结构布置 根据所给出的尺寸进行梁格布置、构件选型及支撑布置。 平台支撑布置：独立平台或平台结构的独立部分，应在某些柱列设置柱间支撑，尤其 当主梁与柱较接时，必须布置纵向和横向柱间支撑，以承受水平荷载，使整个平台结构在 空间形成稳定的结构体系。一般每一柱列都应设置柱间支撑，边柱与中柱柱列的柱间支撑 应尽可能设置在同一开间。 要求在设计书中写明选择依据并绘制相应的平台结构布置及支撑平面图。 二、次梁设计： 在平台结构中，平台次梁主要是承受平台铺板传来的均布荷载，它一般采用热轧工字 钢或槽钢截面。工字钢截面双轴对称，受力性能好，使用最为广泛。 平台次梁可设计成简支梁或连续梁，构造设计应保证梁端与支座的连接与其计算假定 一致。连续次梁由于支座弯矩的卸荷作用，跨间弯矩减小，挠度也随之减小，因此，梁的 截面可选择得小些。 平台次梁的容许挠度值通常为L/250,L为平台次梁的跨度。型钢梁的设计内容如下： 1.次梁的荷载及内力 根据荷载系数分别确定均布荷载设计值： 根据均布荷载设计值计算最大弯矩 2.截面选择(M→R一型钢型号) m=行或所m M M 根据梁上作用的荷载和支座支承的情况计算其最大弯矩从，然后根据所选用材料的抗 弯强度设计值￡，按强度和整体稳定条件求所需截面的净抵抗矩属： 从而在型钢规格表中选择相应的型钢号。 3.截面验算 型钢梁的翼缘和腹板都比较厚，其宽厚比和高厚比一般均能满足局部稳定的要求，所 以型钢梁的截面验算只需进行强度、刚度和整体稳定验算。 ①强度验算：包括抗弯强度、抗剪强度和局部承压强度验算。 ②刚度验算：简支梁受均布荷载时vm=54L384EI,≤[v] ③整体稳定验算：当梁的受压翼缘上无密铺连牢的铺板或工字形截面简支梁受压翼缘的 侧向支承点间距离1与其宽度山之比超过规定时，应计算整体稳定性。根据次梁受压翼缘 10
《钢结构》讲义 ———————————————————————————————————————— 10 普通操作平台一般采用双向平台梁格布置，次梁铰支于主梁上。主梁间距为次梁跨度， 次梁间距为铺板跨度。 当主粱与柱铰接时，必须布置纵向和横向柱间支撑，以承受水平荷载和保持整体稳定。 平台结构的梁格布置和选材，要经过技术经济比较，以满足安全适用、节约钢材、便于施 工的要求，并有较好的经济效益。 本次课程设计的内容及步骤为： 1.结构布置；2.平台次梁设计；3.平台主梁设计；4.柱及柱脚设计；5.节点设计 一、结构布置 根据所给出的尺寸进行梁格布置、构件选型及支撑布置。 平台支撑布置：独立平台或平台结构的独立部分，应在某些柱列设置柱间支撑，尤其 当主梁与柱铰接时，必须布置纵向和横向柱间支撑，以承受水平荷载，使整个平台结构在 空间形成稳定的结构体系。一般每一柱列都应设置柱间支撑，边柱与中柱柱列的柱间支撑 应尽可能设置在同一开间。 要求在设计书中写明选择依据并绘制相应的平台结构布置及支撑平面图。 二、次梁设计： 在平台结构中，平台次梁主要是承受平台铺板传来的均布荷载，它一般采用热轧工字 钢或槽钢截面。工字钢截面双轴对称，受力性能好，使用最为广泛。 平台次梁可设计成简支梁或连续梁，构造设计应保证梁端与支座的连接与其计算假定 一致。连续次梁由于支座弯矩的卸荷作用，跨间弯矩减小，挠度也随之减小，因此，梁的 截面可选择得小些。 平台次梁的容许挠度值通常为 L/250，L 为平台次梁的跨度。型钢梁的设计内容如下： 1.次梁的荷载及内力 根据荷载系数分别确定均布荷载设计值： 根据均布荷载设计值计算最大弯矩 2.截面选择（Mmax→Wn→型钢型号） 根据梁上作用的荷载和支座支承的情况计算其最大弯矩 Mmax，然后根据所选用材料的抗 弯强度设计值 f，按强度和整体稳定条件求所需截面的净抵抗矩 Wn： 从而在型钢规格表中选择相应的型钢号。 3.截面验算 型钢梁的翼缘和腹板都比较厚，其宽厚比和高厚比一般均能满足局部稳定的要求，所 以型钢梁的截面验算只需进行强度、刚度和整体稳定验算。 ①强度验算：包括抗弯强度、抗剪强度和局部承压强度验算。 ②刚度验算：简支梁受均布荷载时υmax=5qk L4 /384EIx≤[υ] ③整体稳定验算：当梁的受压翼缘上无密铺连牢的铺板或工字形截面简支梁受压翼缘的 侧向支承点间距离 l1与其宽度 b1之比超过规定时，应计算整体稳定性。根据次梁受压翼缘 f M W f M W b x req x nx req γ ϕ max , max , = 或 =